JPH04346311A - 多焦点カメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、液晶を制御すること
により焦点深度を可変させる多焦点カメラに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般にレンズや開口絞り等で構成される
従来の結像光学系を用いて入力される画像は、解像度と
焦点深度とはトレードオフの関係にある。つまり、解像
度や明るさを向上させるためには結像光学系の開口を大
きくする必要があるが、一般に開口が大きい光学系は焦
点深度が浅くなる。これを解決する一手段として、次の
文献［　Ｗ．Ｔ．Ｗｅｌｆｏｒｄ，Ｊ　Ｏｐｔ　Ｓｕｒ
　Ａｍ，　５０，　７４９．（１９６０）　］に紹介さ
れいるような輪帯開口等の特殊な開口を設けた結像光学
系を用いる手段が知られている。この手段によれば焦点
深度の深い画像が簡単に得られるという利点があるが、
解像度や光量を著しく損うという欠点のほか、写真用の
フィルムや合成樹脂などの材料を用いて特殊開口を構成
すると、光学的特性が固定されてしまい、目的に応じて
特性を変更するのが難しい問題があった。

【０００３】ところが、カメラや顕微鏡など画像機器を
利用する分野においては、得られた画像が解像度や明る
さに優れ、しかも焦点深度の深い画像であることが強く
要求されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記した
ような従来の結像光学系で、焦点深度を深くしようとす
ると解像度や明るさが犠牲になり、また、焦点深度を自
由に可変とすることは困難である問題を解決するために
なされたもので、解像度や明るさを保ちつつ、焦点深度
を容易に可変しつつ画像を拡大できる、多焦点カメラを
提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するために光学レンズと多数の画素で構成され屈折
率を局所的に可変にできる液晶レンズとを用いて結像光
学系を構成し、この液晶レンズ上にフレネル輪帯を形成
させるとともに隣り合うフレネル輪帯の屈折率を変える
ことにより輪帯間の光学的位相差が所定値に調整された
フレネルゾーンプレートを形成させ、非回折光と±１次
回折光の回折効率を等しくすることによりレンズの焦点
距離ｆｌ　とフレネルゾーンプレートの焦点距離±ｆｚ
　とを有する多焦点光学系を構成するものである。

【０００６】また、光学系により結像された像を電気的
画像信号に変換する光電変換手段と光電変換手段により
得られた電気的画像信号に対して所定の空間周波数領域
を強調する空間周波数フィルタリング手段を備えたこと
も特徴としている。

【０００７】さらに、被写体に対し光学レンズで焦点を
合わせたときのこの光学レンズの位置を検出する位置検
出手段と、位置検出手段により得られた位置データをも
とに上記液晶プレート制御手段の上記液晶プレートに対
する制御条件を設定する条件設定手段とを備えたことも
特徴としている。

【０００８】

【作用】このような構成を用いることにより、レンズや
フレネルゾーンプレートの個々の焦点深度を多焦点光学
系との作用により実質的に焦点深度の大きい光学系を構
成できる。これは、焦点の数を増やすものであり、また
ここで用いるフレネルゾーンプレートは輪帯にストッパ
を置くものではなく位相差をつけるものであるので光量
を減ずることはなく、また光学系本来の解像度を劣化さ
せることもない。加えて、液晶レンズの各画素に対する
印加電圧のパターンを変えることにより容易にフレネル
ゾーンプレートの焦点距離±ｆｚ　を変更でき、結像光
学系の焦点深度変更が可能になる。また、空間周波数フ
ィルタリング手段を設けることにより輪郭構造の鮮鋭な
画像を得ることができる。

【０００９】さらに、被写体に対し光学レンズで焦点を
合わせたときのこの光学レンズの位置データをもとに液
晶プレート制御手段の制御条件を設定させることで、操
作者の指定により焦点深度を自由に設定できる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明の一実施
例を説明する。（第１実施例）

【００１１】図１は第１の実施例のブロック構成図であ
る。同図に示す撮像装置１は次のような構成になってい
る。結像光学系は液晶フレネルゾーンプレート（以下液
晶ＦＺＰと略記）２と光学レンズ系３とで構成される。 光学レンズ系３は複数のレンズ群で構成されるが、図で
は簡略化のため１枚のレンズで表現している。

【００１２】液晶ＦＺＰ２は、図２に示すような正方格
子状に配列された多数の画素で構成されており、液晶ド
ライバ４により駆動さる。さらに液晶ライバ４はＣＰＵ
等で構成されるコントローラ５により制御される。この
コントローラ５は、マン・マシーンインターフェースと
してのスイッチ群６に接続されており、光学特性の条件
設定を操作者が行なえるようになっている。

【００１３】一方前記結像光学系により結像された画像
情報は、ＣＣＤ等の撮像素子７により光電変換され、ビ
デオ画像信号としてビデオプロセッサ８を介して図示し
ない表示装置や画像処理装置等に送られるようになって
いる。

【００１４】図２は液晶ＦＺＰ２の構造を示すとともに
その駆動方法を説明する図である。液晶ＦＺＰ２を構成
する正方格子状に配列されている画素配列の各行各列の
それぞれに対しては、液晶ドライバ４内に設けられてい
る電圧供給器４ａからアクティブマトリックス方式によ
り電圧が供給できるようなっており、構成各画素単位に
印加電圧を制御できるようになっている。

【００１５】この発明は、液晶ＦＺＰ２の各画素の屈折
率をコントロールすることにより、結像光学系の焦点距
離を可変にする技術であり、上記のように構成された本
実施例の作用について説明する。

【００１６】図３は、一般的なフレネルゾーンプレート
（以下ＦＺＰと記す）の正面図である。通常、ＦＺＰは
円形開口を各々の面積が等しくなるような輪帯（フレネ
ル輪帯）に分け、一つおきに不透明になるように設計さ
れる。このようなＦＺＰは、 ±ｆｚ　＝ｒ２　／λ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　…（１）ただし、ｒ：ＦＺＰの中心の円の半
径 λ：光の波長 の焦点距離を持つレンズと同じ作用を持つ。従って、こ
のＦＺＰを結像レンズと組み合わせて用いると、その合
成焦点距離が複数となりレンズを固定した状態のまま、
距離の異なる複数の物体面に焦点を合わせることができ
る。理論的にはこのＦＺＰのレンズは±ｆｚ　の他に±
ｆｚ　／３，±ｆｚ／５，…なる焦点距離を有するが実
際には±ｆｚ　の焦点に集光される光強度が強く、他の
焦点の効果は小さい。その上、非回折光によるレンズの
元の焦点距離も保存される。ところが１つおきの輪帯を
不透明にする代わりに通過した光の位相がπだけ遅れる
ように設定すると±ｆｚ　の焦点の位置に集光する光の
強度が増大し、非回折光は消滅するようになる。更に位
相差を適当に選ぶと±ｆｚ　への回折光と非回折光との
回折効率が等しくなりレンズ４００と組み合わせた結像
光学系において±ｆｚ　とレンズの焦点距離ｆｌ　との
３ケ所に焦点が生じるようになる。

【００１７】本実施例は、このような３ケ所に焦点を有
する状態を利用して多焦点撮像装置を構成するものであ
る。なお、ＦＺＰの作用は厳密には特定の波長だけでは
たくが、その波長を可視光の中心波長（λ＝５５０ｎｍ
）付近に選べば色収差の影響はそれほどない。色収差の
影響を除外するために液晶ＦＺＰ２の前に干渉フィルタ
ーを設置し、その干渉フィルターの透過光波長で液晶Ｆ
ＺＰ２の特性を設定しモノクロの撮像素子７で白黒画像
を撮像するという構成にしても良い。

【００１８】この実施例は上記したＦＺＰレンズの光学
的特性を実現させるための手段として、液晶の屈折率ｎ
が印加電圧により変化する特性を利用している。この屈
折率ｎを利用して液晶ＦＺＰ２に所要の光学的特性をも
たせる設計方法を説明する。図４は、図３に示すような
リング状に画素の屈折率ｎが所望の屈折率になるように
電圧を印加したときの液晶ＦＺＰ２の断面図である。

【００１９】このように電圧を印加したとき、隣り合う
輪帯に相当する画素の屈折率をｎ１およびｎ２　とする
と隣り合う輪帯間の光路差は、 Δ＝｜ｎ２　−ｎ１　｜ｄ　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　…（２）となる。ただし、ｄは液晶
ＦＺＰ２の厚さを表わす。所望の焦点距離を得るための
両光路の位相差をδにすれば良いとすると、 ｋΔ＝２πＮ＋δ（Ｎ＝０，１，２，…）　　　　　　
　　　　　　　　　　…（３） なる関係が満足されるように設計すれば良い。ただし、
ｋは波数で、ｋ＝２π／λで表わされる。（２）　，（
３）　式より次式が導かれる。 ｄ＝（２πＮ＋δ）／ｋ｜ｎ２　−ｎ１　｜

【００２０
】 ＝λ／｜ｎ２　−ｎ１　｜・（δ／２π＋Ｎ）　　　　
　　…（４）（４）　式に基づき、屈折率ｎ１　，ｎ２
　および液晶レンズの厚さｄを設計すれば良い。また焦
点距離±ｆｚ　は（１）　式に従って、液晶ＦＺＰ２の
画素に対する印加電圧パターンを変えることにより可変
にすることができる。

【００２１】本実施例によりレンズ３と液晶ＦＺＰ２と
により多焦点光学系を構成でき、しかも液晶ＦＺＰ２の
パターンを操作者の判断によりスイッチ群６を介して変
えられるように構成することにより液晶ＦＺＰ２の焦点
距離を可変でき、実質的に焦点深度を可変にできる装置
を構成できる。 （第２実施例）

【００２２】この発明の第２の実施例のブロック構成を
図５に示す。この実施例は、操作者の指定により焦点深
度を自由にでき、しかも鮮鋭な輪郭構造を持つ画像を得
るために空間周波数のフィルタリングを行なうものであ
る。

【００２３】その構成は大きくカメラ１０、画像処理プ
ロセッサ１１、ＴＶモニタ１２とに分けられる。カメラ
１０の結像光学系は第１の実施例に示したものと同様に
液晶ＦＺＰ１０ａ、レンズ１０ｂおよび液晶ドライバ１
０ｃとで構成される。液晶ＦＺＰ１０ａとレンズ１０ｂ
とを保持する距離環１０ｄは、合焦面駆動装置１０ｅに
より駆動制御され光学系の合焦面が移動できるようにな
っている。

【００２４】また合焦面駆動装置１０ｅ内には距離環１
０ｄの位置を知るためのエンコーダが設けられており、
そのエンコーダ信号はＣＰＵ１０ｆに送られる。また、
合焦面駆動装置１０ｅ内には距離環１０ｄを光軸方向に
駆動するためのモータが内蔵されており、それはモータ
ドライバ１０ｇにより駆動制御される。モータドライバ
１０ｇはＣＰＵ１０ｆにより作動をコントロールされる
。

【００２５】一方、結像光学系により結像された画像情
報は撮像素子１０ｈにより光電変換され、ビデオプロセ
ッサ１０ｉにより処理されて画像処理プロセッサ１１へ
送られると共にコントラスト検出器１０ｊにも送られる
。さらにコントラスト検出器１０ｊの検出出力はＣＰＵ
１０ｆに送られるようになっている。

【００２６】画像処理プロセッサ１１内には、ビデオプ
ロセッサ１０ｉから送られてくる画像信号がディジタル
変換して、フレームメモリ１１ａに記録するビデオＡ／
Ｄ変換器１１ｂが設けられている。フレームメモリ１１
ａに記録されたディジタル画像信号は、空間フィルタ装
置１１ｃにより所定の空間周波数領域を強調するフィル
タリング処理が行なわれＤ／Ａ変換器１１ｄによりアナ
ログビデオ信号に変換されて、ＴＶモニタ１２に表示さ
れる。ＣＰＵ１１ｅは画像処理プロセッサ１１を制御す
るもので、また、このＣＰＵ１１ｅはカメラ１０内のＣ
ＰＵ１０ｆとも連結され装置全体を制御している。本実
施例は以上のような構成であり、動作としては前処理と
本処理との２段階の動作を行なう。

【００２７】まず前処理では、操作者がフォーカスを合
わせたい複数の被写体をファインダー内の中央に狙い次
々と指定する。この時、カメラ１０において液晶ＦＺＰ
１０ａは全ての画素について均一な印加電圧がかけられ
実質的にレンズ１０ｂのみでフォーカス動作が行なわれ
るようにする。また、このとき入力される画像信号はコ
ントラスト検出器１０ｊに入力されコントラスト、つま
り所定の空間周波数領域の画像信号のパワーが検出され
て、ＣＰＵ１０ｆ，モータドライバ１０ｇ，合焦面駆動
装置１０ｅを介して距離環１０ｄが制御されて、最もコ
ントラスト値が高い位置へ合焦面が移動される、いわゆ
るコントラスト法によるオートフォーカス動作が行なわ
れる。従って、操作者は狙った被写体を常にフォーカス
の合った状態で見ることができ、指定操作を行なったと
きにレンズの位置のエンコーダ出力値がＣＰＵ１０ｆ内
のメモリに記録される。

【００２８】このような前処理により焦点を合わせるべ
き被写体の位置が決定されると、本処理において設定さ
れる液晶ＦＺＰ１０ａに対する印加電圧パターンおよび
距離環１０ｄの位置が決定され、操作者が選んだ被写体
全ての位置を抱含するような結像光学系が設定される。 このような状態で本処理動作が行なわれ入力された画像
は、画像処理プロセッサ１１内で所定の空間周波数を強
調するフィルタリング処理が実行される。

【００２９】本実施例の作用は、合焦面の異なる画像を
加え合わせ、これに中域〜高域の空間周波数成分を強調
する処理を行なわせることにより、加え合わせる前の個
々の入力画像に合焦されていた各被写体全てに焦点の合
った画像を得るものである。つまり解像度や明るさを損
うことなく焦点深度の大きい画像を合成するものである
。

【００３０】本実施例では、上述した作用を実現するた
めにレンズ１０ｂと液晶ＦＺＰ１０ａとで焦点距離がｆ
ｌ　とＦｚ　の２ケ所同時に有する結像光学系を構成し
、２ケ所の異なる物体面に合焦させた画像を同時に入力
し、撮像素子１０ｈの受光面で実質的に加算するもので
ある。

【００３１】この時得られる画像信号は、１ケ所に合焦
させて入力した画像内には焦点が合った部分と合ってい
ない部分とが混在するのに対して、場所によらずほぼ一
様にぼけた画像が得られる。ところがそのぼけ方は、１
ケ所に合焦させて入力した画像内のぼけに比べてはるか
にぼけ方が小さく、十分焦点の合ったときの画像情報を
内抱するものである。従って適当なフィルタリング処理
を施すことによって画像内の場所によらず一様に焦点の
合った画像が回復できる。

【００３２】本実施例により合焦面の異なる画像を光学
系の駆動を行なう必要なく１度に入力することができ、
空間周波数のフィルタリング処理により、より輪郭構造
の鮮鋭な画像を提供することができる。また、コントラ
スト法ＡＦを用いたマルチ測距を行なうことにより操作
者にとって条件設定のし易い装置を提供することができ
る。

【００３３】なお、本実施例において、より大きな範囲
にわたって処理を適用するために距離環１０ｄを移動し
ながら複数の画像を入力し、これらの画像を累積加算で
きように構成したフレームメモリ１１ａを用いて複数の
入力画像を加算するようにしてもよい。この場合例えば
４ケ所に合焦させた画像を入力したい時は、距離環１０
ｄの位置を２ケ所に設定し、１度に２ケ所に焦点を合わ
せた画像を２回入力してそれらを加え合わせるようにす
れば良い。なお、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、要旨を変更しない範囲で変形して実施でき
る。

【００３４】

【発明の効果】本発明により解像度や明るさを保ちつつ
、焦点深度を容易に可変しつつ、拡大できる撮像装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例のブロック構成図。

【図２】同実施例に使用する液晶ＦＺＰの構成および電
圧印加の説明図。

【図３】一般のフレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）の正
面図。

【図４】液晶ＦＺＰの断面図。

【図５】この発明の第２実施例のブロック構成図。

【符号の説明】

１……撮像装置　　　　　　　　　　２……液晶ＦＺＰ
　　　　　　　　３……レンズ ４……液晶ドライバ　　　　　　４ａ…電圧供給器　　
　　　　　　５……コントローラ ６……スイッチ群　　　　　　　　７……撮像素子　　
　　　　　　　　８……ビデオプロセッサ １０…カメラ　　　　　　　　　　　　１０ａ…液晶Ｆ
ＺＰ　　　　　　１０ｂ…レンズ １０ｃ…液晶ドライバ　　　　１０ｄ…距離環　　　　
　　　　　　１０ｅ…合焦面駆動装置 １０ｆ…ＣＰＵ　　　　　　　　　　１０ｇ…モータド
ライバ　　１０ｈ…撮像素子 １０ｉ…ビデオプロセッサ１０ｊ…コントラスト検出器
１１…画像処理フロセッサ１１ａ…フレームメモリ　　
１１ｂ…Ａ／Ｄ変換器 １１ｃ…空間フィルタ　　　　１１ｄ…Ｄ／Ａ変換器　
　　　１１ｅ…ＣＰＵ １２…ＴＶモニタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光学レンズおよび格子状に配列された複数
   の画素で構成される液晶プレートよりなる光学系と、前
   記液晶プレートの画素ごとに電圧を印加することにより
   、前記液晶プレート上に複数のフレネル輪帯を形成させ
   るとともに隣り合うフラネル輪帯に対して所定の光学的
   位相差を与えたフレネルゾーンプレートを構成させる液
   晶プレート制御手段とを備えたことを特徴とする多焦点
   カメラ。
2. 【請求項２】上記光学系により結像された像を電気的画
   像信号に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段に
   より得られた電気的画像信号に対して所定の空間周波数
   領域を強調する空間周波数フィルタリング手段と、を備
   えたことを特徴とする請求項１記載の多焦点カメラ。
3. 【請求項３】被写体に対し上記光学レンズで焦点を合わ
   せたときのこの光学レンズの位置を検出する位置検出手
   段と、前記位置検出手段により得られた位置データをも
   とに上記液晶プレート制御手段の上記液晶プレートに対
   する制御条件を設定する条件設定手段と、を備えたこと
   を特徴とする請求項１または請求項２記載の多焦点カメ
   ラ。